第二章合金结构钢的焊接.doc

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第三章 合金结构钢的焊接
§3-1 合金结构钢的分类
科技的发展对工程结构和机械零件用钢的性能提出高要求，碳素结构钢不能满足.
碳素结构钢+合金元素（改善材料的性能)合金结构钢
分类：强度用钢、特殊用钢
一、强度用钢(高强钢)
σs≥294N/mm2，大量用于常温工作的受力结构
如压力容器、动力设备、工程机械、桥梁、建筑、管道等。

1. 热轧（热轧态）及正火钢（正火态使用)
294~343为热轧钢
σs=294～490N/mm2 （低合金、非热处理强化)。
微合金化控轧钢:

CF钢σs≥343N/mm2 Wc↓↓，(正火钢）微合金化钢
Z向钢板、σs≥343N/mm2，钙处理，真空降气，Ws大大降低
2。 低碳调质钢
σs441～980N/mm2 热处理强化
Wc≤0。025%，δ↑，韧性↑σ↑
可用调质态焊,焊后不须调质处理,必要时去应力处理。
σs=441-490N/mm2，分调质与非调质二类。
正火（正火+回火)钢，合金元素沉淀强化，细化晶粒，δ↑,韧性↑
但WM↑↑,韧性↓δ↓正火钢σs≤490N/mm2左右。

同一强度等水平，所需WM〈WM正火，因调质处理充分发挥合金元素的作用,但生产麻烦。（M、B组织、、Ak保证）
3。 中碳调质钢
σs=880～1176N/mm2，热处理强化钢.
Wc〉0.3％，淬硬性增大，韧性降低。
退火态焊接，整体热处理，结构自重（飞机起落架、火箭壳体）

二、特殊用钢
1.珠光体耐热钢
具较好的高温强度和高温抗氧化性。
T工作=500~600℃高温设备，（热动力设备、化工设备）
Cr、Mo为基的低、中合金钢，T工作越高，V，W,Nb，B等.
焊后不进行调质处理，焊后主要进行高温回火处理。
2。低温钢
必须保证足够高的低温韧性，强度无特殊要求。
T工作=—40～—196℃，（低温装置）,严寒地区的工程结构(桥梁）。
液化石油（℃），液化天燃气（-162℃）。
含Ni的低碳合金钢，正火或调质态使用。
3。低合金耐蚀钢
必须具有耐腐蚀性能 + 一般力学性能
用于大气、海洋（用得最广）、石油等腐蚀介质中工作的各类机械设备、结构。

§3-2 热轧及正火钢的焊接
一、成分和性能
1。热轧钢：σs=294~343N/mm2基本上属于C—Mn和Mn—Si系钢种有用V、Nb代替Mn，细化晶粒，沉淀强化(综合机械性能、工艺性能满意)。

例如：16Mn，WSi≤0。6％ 否则韧性降低。
WC≥0。3% WMn≥1%时裂纹,出现脆性贝氏体。
因此为保证好焊接性与缺口韧性，W合金受限,σs受限。
沉淀强化类钢：15MnV,σs达392N/mm2
16Mn+V（0.04～0。12％)
VC弥散强化、正火态、韧性改善.
2. 正火钢:
σs=343～490N/mm2
C—Mn,Mn—Si系基础上加V，Nb,Ti，Mo等（C化物，N化物生成元素）
在固液强化基础上，通过沉淀强化和细化晶粒来↑σb，保证韧性。
含Mo钢必须正火 + 回火才能保证塑性、韧性.
1）正火状态不使用的钢
除外，主要是含，对材料焊接性和韧性有利。
屈强比高：之内,15MnV,15MnVN，σs↑↑
14MnNb桥梁钢
2）正火 + 回火态使用的含钢
Mn-Mo系在美国用得广大,制造中温的大厚度压力容器.
强度提高,组织细化，中温性能
正火后组织为B上+少量F,必须回火保证δ，Ak；Mo、Ni都能钢的热强性.
3）微合金化控轧钢（70年代发展起来新钢种）
加入微量Ni，V,Ti和控扎技术。(控轧钢）
细化晶粒与沉淀强化相结合纯净度,钢材具均匀的细晶粒等轴铁素体的基体。（综合性能好)
Ni，Cr，Cu，Mo降低F转变温度，有利于低温及F转变。
二、热轧及正火钢的焊接性分析
焊接性主要取决于钢材的化学成分。
前面讲过金属的焊接性通常表现为:
（1)焊接引起各类治金缺陷-—各类裂纹;
（2）焊接时材料性能的变化——脆化问题。
1. 焊缝中的热裂纹
Wc降低，WMn提高，Mn/S比达要求，抗裂热性好，正常不裂。
当材料成分不合格，严重偏析使局部Wc降低,Ws增大，Mn/S可能低于要求出现热裂纹。
解决办法:通过焊材来调整焊缝金属的成分.降低降低Wc，增加WMn，工艺上设法减小熔合比。
H03MnTi+含SiO2,焊剂SJ101，含Mn量增加
H08Mn2Si H08MnE
2。 冷裂纹
分析问题的出发点:钢材化学成分、淬硬倾向与冷裂倾向三者间存在着密切的联系。
1）淬硬倾向与冷裂倾向的关系:
材料的冷裂敏感性主要取决于它的淬硬倾向，该倾向用TTT或CCT曲线来讨论。
CCT：更适于研究焊接，Sh—CCT（模拟HAZ连续冷却曲线）更佳。可定量分析
TTT:定性分析与比较,比CCT左移，其淬火临界冷却速度比CCT大1.5倍，后者右移增加过冷A稳定性。
a。 热轧钢的淬硬倾向与冷裂倾向。

分析图8—1（307），与低碳钢比较，其淬硬倾向大。马氏体含量大。
（厚板手工电弧焊上的HAZ组织态）
V冷不大时，两者相近。
b. 正火钢的淬硬倾向与冷裂倾向。
强调一下:一般随强度的提高,冷裂倾向增大（WM增加），分析图8-2(P309）
15MnVN,18MnMoNb
2）碳当量与冷裂倾向的关系
淬硬倾向主要取决于材料的化学成分,Wc作用最明显，冷裂倾向与成分、冷却速度、含氢量、拘束度等有关。
经验性的C当量公式粗略估计与对比不同钢材的冷裂倾向。

适于Wc较高，大于0.08％,σb=400～700MPa钢材
（国际焊接学会)
日本用
低钢材
一般最高等，超低碳钢

(合金元素的裂纹敏感系数）

应用该公式有各自的局限性，由实验来检验。
一般认为，，焊接无淬硬倾向,焊接性良好，与低碳钢几乎相同。
，淬硬性，工艺措施严格（严控线能量）,预热，Postheat。
3）热影响区最高硬度值与冷裂倾向的关系(不太适用）
亦是评定淬硬倾向的一简单方法。
淬硬组织:规定Hmax时，要考虑钢材的级别来定级别）
表8-2（P310）不可靠，只作参考。
4）［H］没考虑
3。 再热裂纹
（含Mo才有）Mo,V，Nb含沉淀化元素。（一次溶入沉淀；二次加热沉淀强化晶内）
从钢材的化学成分考虑，在C=Mn与Mn—Si系热轧钢对再热裂纹不敏感（无强C化物形成元素，而正火钢18MNMoNb有些）如有再热裂纹，可提高预热温度或Postheat，正火钢与合金系统有大关系。（15MnVN不敏感）
4。 层状撕裂
a. 影响因素（不受级别限制）
1）Z向拘束力 （与板厚有关,不易产生）
2）钢材本身 （取决于冶炼条件、夹杂物，片状S化物等)。
COD：Crack Opering Rsptacemert裂纹张开位移
临界条件=
b.评定敏感性指标
1）碳的含量；
2）Z向断面收缩率抗层状撕裂;
一般冶炼条件下生产的热轧和正火钢都达不到要求。
5. 热影响区的性能变化
对于焊接热轧和正火钢时，主要性能变化为：过热区的脆化问题与热应变脆化问题。
a. 过热区脆化取决于
1）焊接线能量(影响V冷，高温停留时间）
温度高于1200℃熔点,A晶粒长大，难熔质点溶入（N、C化物）
魏氏体、粗大马氏体、低塑性组织、M-A组元
2）钢材类型、合金系列影响
例如：JF ：
（1）,马氏体比例，韧性
，A晶粒严重长大，晶界F、侧板条F、类似P的F-中间相C化物（混合物）
V冷降低,B、F+M-A数量增加,韧性降低
（2）成分(C明显）
（-40℃无高韧性区）如要求高避免使用Wc高类别）。
比不含的钢低得多，沉淀有关，粗晶粒反条件下生成.
如图8-5,P315
大线能用钢中的限制很低！
见图8—6(b)，采用小线能量是避免过热区脆化的可靠措施。
原因:高温停留时间，抑制难熔的向A熔入，产生低C马氏体（无脆化）
可用大线能量+800～1100℃正火处理
系热轧钢，固熔强化。
正火钢，固溶强化+沉淀强化。

b。热应变脆化
消除的有效措施：焊后热处理,(可恢复到原来的韧性水平）（消除应力退火）
本质上是由固溶氮引起的(回足够化物形成元素倾向）
直接发生在焊接过程中，热与……作用下产生的一种动态应变时效，200～400℃最为明显，焊前有缺口时，脆化更加严重。
三、热轧钢及正火钢的焊接工艺特点。
C-Mn、Mn-Si+系：热轧钢
V、Nb、Ti、Mo:正火钢（C化物，氮化物生成元素）
主要根据材料厚度、产品结构、具体施工条件确定(与焊接方法关系非关键）
1、 焊接材料的选择
要求①焊缝质量 热轧及正火钢的焊接性分析；
②使用性能 焊缝的热裂、冷裂倾向很小。
出发点（主要依据)：保证焊缝与母材的匹配性（σb、δ、αk等解)
1） 与母材的机械性能出发、等强匹配(相应强度级别)
（而非成分一致）
成分一致时,焊缝为特殊过饱和铸态组织，其σ↑↑、σ、Ak↓↓，抗裂性能与使用性能不好。
要求：Wc≤ 0。14%时,WMe<母材中的WMe.
结557焊15MnVN，无沉淀元素V，σb=54P~608MP9δ↑、Ak↑。
2）必须考虑到熔合比和冷却速度的影响.

决定焊缝化学成分 与焊缝组织的过饱和度有关

（决定焊缝金属的机械性能）
3）如有postheat，必须考虑到对焊缝性能的影响。
如要焊后正火，必须选择强度更高一些的焊材。
4)对焊缝金属的使用要求应注意其特殊性能要求
16MnCu+结50T铜（耐蚀性能）
2、焊接工参数的确定
1）焊接线能量
其确定主要取决于过热区的脆化和冷裂两个因素。
热轧钢
正火钢：避免沉淀相的溶入及晶粒过热引起的脆化。E线↓
Wc↓↓（09Mn2），对E线无严格的限制。材料淬硬性较小，对小E线时冷裂倾向不大。
Wc↑偏高时，（如焊16Mn），E小时（E偏大只好）冷裂倾向↑，脆化严重

如：15MnVN、14MnNb、
47KJ/cm、αk在-20℃在过热区合格,
40KJ/cm,αk在—40℃在过热区合格。
当Wc↑,WMe↑,淬硬性↑E线偏大好些。
E线↑↑，V冷↓，但加热程度↑↑，过热↑↑，
因而大线能量，采取用预热方式，避免裂纹。
2）预热，（防裂纹，改善性能）
其确定取决于下面因素:

① 成分,To=1440Pc-396
②V冷
③拘束度↑
④［H] ↑ T.↑
⑤是否热处理
3)焊后热处理：
一般情况下不需热处理；容器需高温回火(目的)
消除应力：①↑抗应力腐蚀力，②↑低温性能,③防层裂等
T回确定原则：
①不超过母材的T回。
②对有回火脆性的材料，避开脆性温度区间.
③σs≥490N/cm2钢。延迟裂纹倾向大，回火可消除应力，去氢.
§3—3 低碳调质钢的焊接
（用于高强度的焊接结构用钢)
一、低碳调质钢的成分和性能
在正火条件下,通过增加合金元素，强化效果一般情况下,σ↑,αk↓↓，σs≥490N/mm2,高强钢场需调质处理。
σs=440~980N/mm2
Wc≤0。22%（在0。18％以下）良好综合性能和焊接性能。
最简单：Mn-Si系钢,δS≥343N/mm2,调质后达490N/mm2，调质后达490 N/mm2。
当板厚↑或δb↑、需添加合金元素Cr、Ni、Mo、V、M、Ti等，本保证足够淬透性和抗回火性。
（焊接无裂纹钢）
70年代发展的改善野外施焊条件，↑低温韧性,
加多种微元素，Wc↓↓（≦0.09%）（B具有淬透性），调质保证δb,Ak(足够)该钢具(CF钢),Wc↓↓，Pcm↓特点。
采用超低氢焊接材料，B<50mm,T=0℃不预热。
二、低碳调质钢的焊接性分析
与正火钢类似（主要问题和工艺要求）
1、裂纹。2、HAZ脆化。
差别在于在HAZ内，还存在过热区脆化和软化问题。Mn/S↑。
一）焊缝中的热裂纹
一般Wc↓、WMn↑、S、P控制，倾向小。
对高Ni低Mn类HY80、倾向↑，调整焊材可以避免。
(Mn、Ni，扩大A元素,结晶间↑热裂↑）.
二）热影响压液化裂纹
主要发生在高Ni低Mn类低合金高强钢中。影响因素主要与Mn/S有关。
①成分
Wc↑，要求Mn/S↑
当Wc〈0。2％,Mn/S〉30,液化裂纹敏感性↓

避免裂纹的关键在于控制Wc，Ws保证Mn/S高尤其当WNi↑，要求更严。
②工艺因素
E线↑，晶粒d↑，晶界熔化严重,而且液态晶间层存在↑，倾向↑.（高线能量易发生，埋弧焊)
熔池形状影响（P327）
三）冷裂纹
其冷裂倾向在M转变时的V冷有关。

Ms高，如V冷↓M可以进行“自回火" 作用。冷裂纹倾向（工艺合适才行）↓↓。
WMe↑,获得低CM和部分下B混合组织，A过冷稳定性↑↑(P327图8-14）。
四)再热裂纹
四强淬透性和抗回火性而加入的一些合金元素中,大多数易引起再热裂纹。
V影响最大、Mo次之（同时加入更加严重），Cr与含量有关。
皆注表焊接时的再热裂纹问题。(Cr—Ni、Mo、Cr—Ni-Mo—V，Ni—Mo-V系钢）。
五）层状撕裂
严控夹杂物,纯净度↑，敏感性↓。
六)HAZ的性能变化
钢中含有较多固N元素，热应变脆化不明显。
1、 过热区的脆化

图8—16 M+BTi韧性最佳（WB下达10~30%)
t8/5↓ αk↓（得到全部M）
t8/5↑ A晶粒粗化，脆化↑，BV与M-A组无形成普通问题,对不能处理件尤为生重要.
2、 HAZ的软化
对焊后不再进行调质处理的C钢尤为重要。
①软化的程度②软化区的宽度与焊接工艺有关，有小线能量基本解决.

三、低碳调质钢的焊接工艺特点。
工艺制定的主要依据：
① 马氏体转变时的V冷不能太快，避免冷裂，保证自回火作用。
② 要求800～500℃的V冷>产生脆性混合组织的临界冷却速度，
控制T8/5，不产生上B氏体。
1、焊接工艺方法和焊接材料的选择.
① 材料
② 方法
σ2↑↑ σb与αk下降的问题越严重。
解决办法：
①焊后重新调质，
②不热处理，限制热输入。
例：σS〉980N/mmm2钢（10Ni-Cr—Mo-Co）必须用 TIG与电子束焊。
σS〈980N/mm2，各种方法均能用。
σS≥686N/mm2,熔化极气体,保护焊最佳。
E热↑↑,焊后必须调质处理。
调质态焊接，焊后不热理(异于中碳调质）。
选焊材时,要求焊缝性解接近母材的机械性能等强，当结构刚度大时，冷裂难免，低强度匹配。
3． 焊接工艺参数的选择
综合考虑：①防冷裂纹t8/5V冷↓。
②防脆化（M—A）V冷↑。
正确选择线能量和预热量保证不出裂纹与脆化的关键。
1） 确定 E线
尽可能选择大一些、（不出裂纹,满足韧性），再根据冷裂倾向考虑，预热向考虑,预热和预热温度.

2） 确定 T预(主要目的是为了防止冷裂,对HAZ性能不大）
当Ek达最大而裂纹不能避免，必须预热。
一般在焊低碳调质钢时采用较低的T预≤200℃。
主要是降低马氏体转变的V冷,通过M的自回火作用来提高抗裂性能.
T预↑↑，V冷0～690℃热处理，损害ak↓。
消除应力处理没有必要。只适于要求耐应力腐蚀的焊件，T后低于母材原回火T的30℃。
§3—4 中碳调质钢的焊接
一、 中碳调质钢的成分和性能
σS≥880～1176N/mm2
WC=0.25～0。45％
强度主要取决于Wc，WMe提高淬透性，抗回火性。
特点：高的比强和高硬度(韧性不是首要）(用作火前外壳、装甲钢）
淬透性↑↑，焊接性差,焊接工艺复杂，焊后必须调质。
严控S、P的含量
一般钢〈0.04％
S、增加热裂敏感性
P、↓δ、αk、↑冷裂敏感性。
真空冶炼,使母材与填充金属达到高纯度（Ws、p<0。015%）
1、40Cr Cr〈1。5%解有效提高淬透性
War～1％ ↑δ、αk。
〉2% 对δ影响不大，↓αk。
Cr增加低温或高温的回火稳定性。
良好综和机械性能，↑σ疲→齿轮、轴类、(交变载荷)
2、35CrMoA 35CrMoVA
属CrMo系统 WMo=0。15～0.25％
消除Cr钢的回火脆性，高温
V—细化晶粒，↑σb、δ、αk，高温回火稳定性。
用于动力设备(负载高，截面大的重要零部件），发电机转子，汽轮机、中轮、主轴等。
Wc↑，焊前预热、焊后热处理。
3、30crMnSiNi2A、40crMnSiMoVA加入Ni、
σb↑↑、αk较好，焊接性差。
飞机构件:
30crMnSiA典型（不含贵重的Ni）,我国应用广
退火态组织、F+P
调质态组织：回火索氏体（统称回M）
高温回火必须快冷！
Cr—Mn-Si系统，300~450℃第一类回火脆性
还会有第二类
飞机制造
4．40CrNiMoA，美4340钢及34CrNi3MoA（4340美一类似）
Cr-Ni-Mo系统
加入了Ni，Mo显著提高淬透性和抗回火软化能力,↑αk，σ↑,淬透性大。
用于高负荷，大截面轴类、承冲击、如飞机、起落架、火箭发动机外壳。
5．H—11 Cr5％、Mo1。5%热加工工具钢基础上展.
σb=1960N/mm2,并具较高耐热性（喷气机体）
(经500oC回火、特殊、C化物析出）。
二、 中碳调质钢的焊接性分析
一）焊缝中的热裂纹
Wc↑、WMe↑、液一固相区间大,偏析严重，热裂倾向↑。
① 需焊材：选用Wc↓、S、P↓的填充材料。
②焊接工艺上保证填满弧坑，焊缝成形良好。
二）冷裂纹（P336图8-23）
淬硬（冷裂）倾向严重，分析其冷裂敏感性,不仅看M形成倾向，而且须考虑M的类型和性能.
三)HAZ的性能变化
1、过热后的性能变化
淬硬性↑↑，易产生硬脆的高碳M，t815↓，V冷↑，高CM↑,脆化越严重。
大线能量V冷↓,增加A过热，提高其稳定性，形成粗大M，脆化更严重。
解决办法:小线能量+预热+缓冷和后热
减小高温停留时间，降低A稳定性V冷↓，z改善性能。
2、HAZ的软化
E线↓，V冷↑，t受热↓、软化↓
焊接热源越集中，软化↓
该类钢常在退火态焊接、焊后调质处理
σb↑、软化越严重.
软化程度与宽度与E线、焊接方法有关。

三、 中碳调质钢的焊接工艺特点
焊前状态决定焊接问题及工艺
1、退火(正火）态焊接，整体调质（多数情况下）
①主要问题：裂纹,（HAZ性能由调保证）
② 焊接方法:不限，但气焊易生裂纹.
③焊材：保证质量(无裂纹)
调质后与母材等强（接头性能）
焊缝金属主要合金应尽量与母材相似（同热处理规范）
严控C↓、Si、S、P（引起热裂倾向,促使脆化)
④工艺参数：保证调质前不出裂纹，
高预热温度(200～350℃）和层间温度
复杂结构，大量焊缝，存在中间回火处理（去［H]、冷裂敏感性低的组织）
焊后及时回火65 0℃10℃，在高于T预热保温、除［H］ 防冷裂
小El+预热（高）。
2、调质状态下焊接
①主要问题：
1）裂纹：
从工艺上出发，预热温度，层间温度，中间热处理postheat〈母材回火温度的50℃.
2）高M的硬化和脆化（焊后回火解决)
3)高温回火区的软化（HAZ区)。必须调质才能解决
如果焊接后不调质处理,应该采用热量集中，能量高度大方法有利，E↓。
②减小软化：气保焊较好，(TIG）
有前途：冲氢弧焊，等离子，电子束焊接。
经济和方便为手弧焊.
选焊材不必考虑成分、热处理规范与母材匹配,主要防止冷裂纹。
T预=200~250℃ T层=200~250℃
T后=～250℃，2h或更长时间低温回火。
表3-24（P339）为母材+焊材匹配。
典型范例：
D6AC（相当于35CrMoV）细丝双弧焊接工艺试验
采用气割小车和双送丝机头改装而成的自动焊接设备,同时送进两根φ2mm的焊丝。两机头距离和倾斜角度可调，用两台400A场效应管逆变电源（恒流特性)供电.细丝双弧焊接的基本原理如图1所示（图中υh为焊接速度及方向）。

当两平行的焊丝间距较大时，两个电弧形成分离的电弧空间，这时前端小电流电弧起打底和预热的作用,后端大电流电弧起提高生产率、延缓焊缝冷却速度和后热处理第一层焊缝及热影响区的作用。
为了调整焊缝的成分，采用共熔池细丝双弧焊接法，即将两焊丝距离调至30mm左右，这样形成窄长的熔池和较大的t8/5和t8/3 ,虽然减少了预热和后热的作用,但可以通过工艺的调整和焊后缓冷也有利于在不预热焊接条件下避免裂纹.
图1 细丝双弧焊接基本原理图

由于采用双弧焊接技术，焊丝可以是不同种焊接材料，可以方便的调整焊缝成分。本试验采用1Cr18Ni9Ti焊丝和H18CrNiMoA焊丝（A匹配)或者H08Mn2Si和H18CrNiMoA两种焊丝匹配（B匹配)焊接D6AC超高强钢,焊剂均采用HJ260。焊接规范为：I1=200～240A，I2=350～400A,U1=35~42V,U2=38~45V,υh=8～14m/h，焊后于炉中350～450℃保温1～3小时，并随炉缓冷。
将焊接接头进行830~900℃淬火、600～680℃回火的调质处理，并进行磁粉探伤和超声波探伤试验。
取样进行焊接接头的机械性能与硬度试验，为了进一步深入分析焊接接头的性能，进行了接头各区小试件（1.5mm×1。5mm）微型拉伸试验与跨三区试件的微区剪切试验.